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VitainMeridianiPlanum,Marte[LifeinMeridianiPlanum,Mars]

ARTICLE·SEPTEMBER2015

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26

3AUTHORS,INCLUDING:

GiorgioBianciardi

UniversitàdegliStudidiSiena

132PUBLICATIONS520CITATIONS

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VincenzoRizzo

CNRIRPI,italy,Cosenza

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26 ASTRONOMIA n. 5 • settembre-ottobre 2015

Ricerca

G. Bianciardi (1,*),V. Rizzo (2,*),N. Cantasano (3)

1) Dipartimento di Biotecnologie mediche, Università di Siena, Siena2) CNR (retired), Via Repaci 22 Rende, Cosenza, Italy 3) CNR, IISAFOM, Unità di Rende, Cosenza, Italy

AbstractWe performed a quantitative image analysis to compare microstructures of microbialites with the images photographed by the Rover Opportunity (25,000/15,000 microstructures, Earth/Mars). Terrestrial andMartian textures present a multifractal aspect. Mean values and confi dence intervals from the Martian images overlapped perfectly with those from the terrestrial samples (p<0.004). Terrestrial abiogenic pseudostromatolites showed a simple fractal structure and different morphometric values with a less ordered texture (p<0.001). Our work shows the presumptive evidence of microbialites in the Martian outcroppings: the presence of unicellular life widespread on the ancient Mars.

Vita in Meridiani Planum, MarteLife in Meridiani Planum, Mars

IntroduzioneDa più di 10 anni il Rover marziano Oppor-

tunity esplora la superfi cie di Meridiani Planum [1], una regione estesa nella fascia subequatoriale del pianeta rosso, nel cui sottosuolo Mars Odyssey dallo spazio ha identifi cato grandi quantità di ghiaccio d’acqua. Opportunity ha rilevato evi-denze testimonianti che nel lontano passato di Marte l’acqua scorreva, sulla superfi cie del Pia-neta Rosso: morfologie di costoni di roccia che danno immagini chiare e indubitabili di morfo-logie elaborate della presenza di acqua allo stato liquido [2]. Vennero anche evidenziate la presenza di piccole rocce rotondeggianti (grandi da pochi millimetri a svariati centimetri) che assomigliava-no ai cosiddetti “mirtilli” o “blueberries”: strutture di pietra, ematite (ossidi di ferro), la cui presenza confermava ancora una volta la presenza di acqua allo stato liquido nel lontano passato di Marte ma secondo altri Autori anche possibili indizi per una possibile vita microbica. In particolare, nel 2009 [3], due Ricercatori italiani del CNR, Vincenzo Rizzo, geologo, e Nicola Cantasano, algologo, sottolineavano come le caratteristiche morfologie potevano far supporre una loro genesi di tipo biologico, forse da cianobatteri (una volta classifi cate come Cianofi te). Ipotesi basata sulla osservazione di microsferule aventi dimensioni di 0.1-0.3mm e variamente organizzate, all’interno degli stessi mirtilli (fi g.1, sx). Tale organizzazione spiegherebbe le curiose forme assunte dai corpi mineralici, prodotti dalla attività delle colonie batteriche poste al loro interno (fi g. 1, dx), mi-

liardi di anni or sono, quando si formarono in presenza di acqua.

Un successivo Lavoro dei due Ricercatori nel 2011 [4] approfondiva lo studio delle relazioni e delle similitudini tra le stromatoliti terrestri (se-crezioni di alghe microscopiche che costruiscono caratteristici tappeti calcarei, quindi strutture mi-nerali biocostruite, [5,6]) ed i depositi laminati di Meridiani Planum, trovando che anche le lamine dei sedimenti circostanti, e non solo le “blueberry”, mostravano la presenza delle medesime microsfe-rule, aggregate in ciambelle, lamine e fi lamenti di microsferule, talora disposti in modo del tutto caotico a somigliare a dei vermicelli intrecciati (fi g. 2), che secondo gli Autori ricordavano ancora una volta sedimenti di origine batterica, defi niti in senso generale tromatoliti (nelle parti a micro-struttura caotica, di tipo microbialiti) [7], di cui le stromatoliti, con le loro caratteristiche meso-strutture laminate, sono uno dei possibili aspetti.

Nel presente Lavoro abbiamo analizzato con metodiche di tipo frattale (G.B.) immagini di mi-crobialiti terrestri V.R.), fotografate presso i Musei di Scienze Naturali di Torino e Milano o reperite su Internet (per un elenco esaustivo dei cam-pioni utilizzati e dei siti vedi [8], con immagini selezionate (V.R.) riprese su Marte dal Rover Op-portunity, riportate alla stessa scala, risoluzione e acutanza (fig. 3).

Materiale e metodiVentitre immagini selezionate fotografate dal Rover Opportunity mediante ATHENA

*G.B e V.R hanno ugualmentecontribuito al presente Lavoro

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RicercaG. Bianciardi, V. Rizzo, N. Cantasano

Figura 1 (sx). I cosiddetti mirtilli (da qualche mm a qualche cm in dimensione), simili alle moqui terrestri, dove i batteri hanno svolto un’azione fondamentale

(immagine colorata in basso nei riquadri in alto). Si noti la somiglianza anche con colonie viventi di cianobatteri, sia per la forma polisferica che per la struttura

concentrica (immagine colorata più in alto). Si tratta, sia sulla Terra che su Marte, di forme polisferule (costituita da microsferule più piccole, indicate con Ri,

aggregate un nuclei SBB, a sviluppo irregolare), il cui aspetto dipende dalla modalità di sviluppo della struttura interna. La fi gura nei riquadri sottostanti mo stra

mirtilli marziani con strutture diverse: concentriche; avvolte, con tendenza a spirale; eccentriche, talora generanti, a seguito dello sviluppo irregolare di SBB,

forme esterne polisferiche. Dal diverso modo con cui si sviluppa la crescita delle polisferule Ri e delle strutture composte SBB si ottengono mirtilli a struttura

eccentrica, avvolta, o concentrica; (dx): Forme peculiari presenti tra i “mirtilli” fotografate da Opportunity in Meridiani Planum: una rassegna di possibili forme di

vita fossile (frecce bianche), e di sostanze semitrasparenti che sembrerebbero attuali (frecce trasparenti), in quanto addossati a corpi erosi e poggiati al suolo,

di recente deposizione. Le barrette metriche corrispondono ad 1 mm. Vedi, V. Rizzo et al, 2009, [3].

[2] e 45 immagini di stromatoliti terrestri, fotografate pressoi Musei di Scienze Naturali di Milano e Torino o prelevate dallao Rete [8] riportate allo stesso ingrandimento, risoluzione e acutanza delle immagini marziane, furono utilizzate per paragonare le immagini biologiche terrestri e le immagini marziane. Dieci campioni di false (pseudo)stromatoliti, strutture minerali abiologiche che mimano le forme delle stromatoliti per sequenze mm-laminate, presenti in natura o in esperimenti di laboratorio (alabastro, ametista, calcedonio, malachite, stalattite e da una pseudostromatolite sintetica [9] furono analizzate con le stesse metodiche dei campioni di microbialiti terrestri o delle immagini marziane.

Mediante un Canny-edge fi l t er ( D igital I mage M agnifi er software di Strikos Nikolaos: http://www.softoxi.com/digital-image-magnifi er.html) f u rono o t tenute i n m o do a u tomatico le microstrutture presenti nelle immagini, per un totale di circa 25000 microstrutture terrestri e 15 000 microstrutture marziane, che furono sottoposte ad analisi frattale.

L’analisi frattale fu effettuata per determinare: la comples-sità [10], a bassa e grande scala, delle immagini e l’entropia [11], ovvero la quantità di informazione, delle immagini a bassa e grande scala (scale: 0.05 – 2 mm / 5-200 pixel). mediante la metodica del box-counting (Benoit 1.3 softwa-re, (TruSoft Int’l Inc: http://trusoft-international.com/benoit. html); la complessità algoritimica [12], o randomness, ovvero

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Ricerca G. Bianciardi, V. Rizzo, N. Cantasano

il grado di casualità presente nelle immagini, valutata mediante Chaos Data Analyzer (CDA Pro, Academic Software Library, North Carolina State University, USA) dopo aver effettuato una vettorializzazione delle immagini; la tortuosità, o Dmin, o Fractal Dimension of the MinimumPath [13], ovvero la sinuosità delle microfor-me vermicellari evidenziate dal fi ltro Canny;

le loro dimensioni minime e massime. Per una trattazione ulteriore per la determinazione dei parametri frattali in questi campioni si rimanda alla bibliografi a degli Autori [8]. Furono anche determinati i diametri, massimo e minimo, me-diante procedura automatica (Image Pro Plus software, Media Cybernetics, USA).

L’analisi statistica fu effettuata mediante

Figura 2. La fi gura mostra

l’esistenza di microsferule

variamente aggregate nei sedimenti

marziani, che richiamano le

strutture delle microbialiti terrestri

(immagini a colori). In alto a

sinistra, un fi lm ialino costituito

da tante microsferule aggregate

“a ciambella”; in alto a destra,

fasci delle stesse strutture che

in alcuni casi generano lamine;

in basso, assetti a fi lamenti e

fi lamenti intrecciati di microsferule,

che talora assumono l’aspetto di

ammassi caotici, dando luogo a

tessiture peculiari (note anche nelle

microbialiti di tipo “trombolitico”).

Vedi V. Rizzo et al, 2011, [4] . I ritagli

a colori si riferiscono a microbialiti

viventi, provenienti dal deserto di

Atacama (immagini selezionate da

macrofotografi e fornite da Maria

Eugenia Farias, CONICET, Cile e

oggetto di una pubblicazione in

corso di stampa: V. Rizzo, M.E.

Farias , N. Cantasano , D. Billi,

M. Contreras , F. Pontenani and

G. Bianciardi, Structures/textures

of living/fossil microbialites and

their implications in biogenicity, an

astrobiological point of view ,Applied

Cell Biology, in press).

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la regressione lineare (t-test), per determinare la linearità dei grafi ci log-log e quindi la plausibilità dell’applicazione della metodologia frattale, del Mann-Whitney U tests e dell’analisi del chi quadro per confrontare i valori morfometrici ottenuti dalle microforme terrestri e marziane. La variazione intra- e inter-osservatore della metodica morfometrica utilizzata risultò rispettivamente < 2% e < 3%, rispettivamente

.

RisultatiLe microstrutture presenti nelle immagini di microbialiti (un

termine ampio che si usa per indicare tutte le strutture microbi-che, incluse le stromatoliti) terrestri e nelle immagini ottenute dal Rover Opportunity in Meridiani Planum, evidenziate con fi ltro automatico Canny-edge, hanno mostrato all’analisi una struttura multifrattale (fi g. 4). Le immagini dei campioni di pseudostromato-liti mostrarono una struttura frattale, e non multifrattale (fi gura 5).

Figura 3. Terra vs. Marte.

Microstrutture evidenziate

su microbialiti terrestri (una

stromatolite recente proveniente

dal Brasile, Lagoa Salgada, alto) e

su Marte (basso). In ambedue si

vedono microstrutture costituite da

microsferule aggregate in caotici

fi lamenti intrecciati. L’immagine

terrestre è stata in grandita e

sfuocata così da ottenere la

stessa risoluzione, acutanza e

ingrandimento delle immagini

microscopiche scattate dal rover

marziano Opportunity. Queste

strutture vermicellari, fi lamenti di

microsferule, sono state sottoposte

all’analisi frattale. V. Bianciardi et al.,

IJASS, dicembre 2014, [8].

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Figura 4. Il grafi co log-log tra il numero di quadrati che contengono almeno un punto della fi gura e la dimensione dei quadrati identifi ca la dimensione frattale

o complessità geometrica della fi gura, ovvero l’esponente della retta log-log (pendenza della retta). Sia le microbialiti terrestri (sx) che le immagini ottenute dagli

affi oramenti marziani (dx) presentano una struttura multifrattale (due rette in ogni grafi co), si noti anche come gli esponenti delle rette siano estremamente

simili tra loro (Terra vs. Marte). Scale: 0.05 – 2 mm (5-200 pixel).

Terra Marte

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Figura 5. Il grafi co log-log tra il numero di quadrati che contengono almeno un punto della fi gura e la dimensione dei quadrati identifi ca la dimensione frattale

o complessità geometrica della fi gura, ovvero l’esponente della retta log-log (pendenza della retta). Sia in una pseudostromatolite abiologica (sx, stalattite) che

in una pseudostromatolite sintetica (dx), la struttura risulta frattale ma non multifrattale (un’unica retta log-log è presente), si noti anche come gli esponenti

delle rette siano diversi da quelli delle microbialiti o dalle immagini marziane (fi g.4). Scale: 0.05 – 2 mm (5-200 pixel).

Pseudostromatoliti

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Tutti i parametri delle forme evidenziate a 10 ingran-dimenti sulla Terra e su Marte (40 000 microstrutture ana-lizzate) si sovrapponevano in modo pressocchè perfetto,

con altissima signifi catività statistica, p<0.004, mentre le pseudostromatoliti abiologiche mostravano indici del tutto diversi, vedi tabella 1.

Microbialiti Campioni marziani Pseudostromatoliti

Complessità geometrica, alta e bassa scala 1.82 (0.02) 1.48 (0.07)

1.81 (0.02) 1.48 (0.07)

1.90 (0.03) **

Entropia.alta e bassa scala

1.88 (0.01) 1.42 (0.05)

1.87 (0.01) 1.44 (0.05)

1.92 (0.03)**

Complessità algoritimica 0.458 (0.045) 0.468 (0.042) 0.670 (0.13)***

Tortuosità 0.78 (0.01) 0.77 (0.01) 0.84 (0.06)**

Diametro maggiore (mm) 0.077 (0.002) 0.078 (0.002)

Diametro minore (mm) 0.2066 (0.003) 0.2068 (0.003)

P n.s. (coincidenza, p<0.004) ***p<0.001, **p<0.01

Tabella 1. I valori morfometrici delle microstrutture evidenziate nelle microbialiti terrestri e nelle immagini degli affi oramenti marziani risultano estremamente

simili, la probabilità che questo sia dovuto al caso è p<0.001 (signifi catività della coincidenza). I valori ottenuti dalle pseudostromatoliti abiologiche (alcuni

campi risultano vuoti in quanto non era possibile valutarli a causa della struttura frattale semplice-stessa complessità statistica al variare della scala, per tutte

le scale analizzate- mostrati da questi campioni) sono statisticamente differenti sia da quelli ottenuti nelle microbialiti che nelle microstrutture marziane.

Media (deviazione standard).

Discussione La ricerca della vita su Marte è la principale motivazione

dietro ai programmi di ricerca di esplorazione marziana. Già dai tempi del Mariner 9 [14] apparvero evidenze di un passato marziano con presenza di acqua liquida, dato che fu confermato più recentemente dal Mars Observer Camera [15] e dal Mars Reconnaissance Orbiter [16]. Il Mars Exploration Rover, Oppor-tunity, ha portato ulteriore evidenza di una superfi cie modellata da fenomeni fl uviali [1,2].

Acqua allo stato liquido non vuol dire vita, anche se questa è un prerequisito indipensabile per la vita. Possiamo comunque ricordare come negli ultimi 20 anni evidenze per una possibile vita marziana nell’antico Marte non sono mancate (il metorite ALH84001, [17]) così come nel presente Marte (analisi frattale dei gas rilasciati nell’esperimento biologico Labeled Release dei Viking, [18]).

In due Lavori dei Ricercatori del CNR, Rizzo e Cantasano [3,4] veniva ipotizzata la possibile presenza di stromatoliti, o altre microbialiti, nei sedimenti fotografati dal Rover Opportunity.

In questo Lavoro abbiamo intrapreso un preciso approccio morfometrico alle immagini degli affi oramenti marziani foto-grafati con la camera ATHENA dal Rover Opportunity in Me-ridiani Planum. I risultati qui presentati mostrano una perfetta sovrapposizione tra le microstrutture fi lamentose presenti nelle microbiali terrestri di sicura origine biologica e quelle evidenti

nelle foto scattate da Opportunity, confermato dall’analisi stati-stica (p<0.004, 40 000 microstrutture analizzate). Inoltre, mentre ambedue presentavano una chiara struttura multifrattale e del tutto coincidente, le analisi morfometriche effettuate su campioni di pseudostromatoliti (abiologiche) mostravano valori del tutto differenti, semplicemente frattali (la struttura si ripete pedissequa-mente in modo statistico al cambiamento di scala) e con chiari indici di una struttura più disordinata.

Possiamo ricordare che un approccio morfometrico effettuato da Wagstaff e Corsetti [19], alla ricerca di presenza di stromatoliti nei sedimenti fotografati da Opportunity, dette risultati negativi, ma è da sottolineare lo scarso numero di immagini utilizzate (quattro!) e la diversa scala di studio analizzato (macroscopico e non micro-mesoscopico come nel presente Lavoro). Possiamo anche citare il recente Lavoro di Nora Noffke che, ad un analisi morfologica, propone la presenza di microbialiti nei sedimenti fotografati dal Rover Curiosity [20], presentato lo stesso mese (dicembre 2014) della pubblicazione di questo Lavoro nella sua versione inglese [8].

Evidenze stanno rafforzandosi per la presenza di forme di vita su Marte, passata ma forse anche attuale. Evidenze ormai del tutto stringenti, che aspetteranno defi nitiva conferma forse solo quando saranno organizzate spedizioni umane verso il Pianeta Rosso.

Relazione presentata al 48° Congresso UAI, 2015

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RicercaG. Bianciardi, V. Rizzo, N. Cantasano

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NOTA. Il presente Lavoro è una versione italiana, ridotta, di quanto recentemente apparso sull’ International Journal of Aeronautical and Space Sciences, il 30 dicembre 2014: “Opportunity Rover’s image analysis: Microbialites on Mars?”, Bianciardi, Rizzo, Cantasano. Il testo può essere liberamente scaricato dalla pagina: http://ijass.org/PublishedPaper/year_abstract.asp?idx=474

Curato da Gianluca Ranzini, ecco un bel libretto sul tema “vita nell’Universo”. Dal legame imprescindibile tra la nascita della vita sulla Terra e il Cosmo, alla ricerca della vita extraterrestre con gli strumenti attuali e di un futuro prossi-mo. E se lo presentiamo in questo nume-ro è perché molto si parla di Marte. Dalle fantasie dei primi studiosi del pianeta rosso alla terraformazione del pianeta. Si parla anche di UFO... ma Gianluca è

a prova di certe fantasie metropolitane, parlare di UFO per far capire che non esistono. La vita ci sarà là fuori, maga-ri in forma semplice anche qui vicino, Marte, altrimenti molto più lontano, ma è da cercare con solidi metodi scientifi ci non con miti moderni.

Giorgio Bianciardi

Gianluca RanziniFocusExtra, n.65

Gruner+Jahr/Mondadori SpA 5,90 Euro

Recensione